Surface Reconstruction Unlocks Lattice Oxygen Activity to Promote Selective Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid

催化作用 化学 无机化学 氧气 氧化物 无定形固体 电化学 氧化还原 热液循环 法拉第效率 化学工程 密度泛函理论 析氧 催化氧化 多相催化 反应机理 异质结 制氢 原位 煅烧 过氧化氢 铂金 材料科学 水合物
作者
Tianli He,Haoxi Chen,Senyuan Li,Yanshuo Jin,Yu Xiang,Wenyu Huang,Fangyan Xie,Jian Chen,Dingjie Pan,Nan Wang,Hui Meng,Shaowei Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (15): 14434-14449
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c02451
摘要

Abstract Oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) has been proposed as a promising alternative to the oxygen evolution reaction to enhance hydrogen production in alkaline media. However, the mechanistic understanding of the HMF oxidation reaction (HMFOR) has remained limited. In this study, CoSe2-Cu2−xSe heterostructure composites are synthesized via a two-step hydrothermal method using cobalt(II) acetate, cupric acetate, and selenium powders as the starting materials, and the sample with a 0.4 mmol initial feed of cupric acetate stands out as the best HMFOR catalyst among the series, achieving a current density of 10 mA cm−2 at a potential of +1.265 V vs RHE and a 97% Faradaic efficiency for the production of 2,5-furandicarboxylic acid at +1.5 V vs RHE. The catalytic activity is attributed to the lattice oxygen within the amorphous hydroxyl oxide layer formed via surface reconstruction of the catalyst, which can directly and indirectly participate in HMFOR during the indirect oxidation of CoOOH/CoO2. Such a lattice oxygen-mediated indirect oxidation mechanism of CoOOH/CoO2 is supported by in situ spectroscopic characterizations, 18O-isotope labeling experiments, and density functional theory calculations. The findings of this work provide new insights into the electro-oxidation of small organic molecules, an important process for advancing electrochemical energy technologies.
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